行業(yè)分領域綜述：離子交換膜和電滲析技術的發(fā)展動向

水處理網(wǎng)訊:1 離子交換膜和電滲析的發(fā)展

1.1 電滲析在國外的發(fā)展歷程

電滲析技術的研究最早始于德國，1903年Morse和Prerce把兩根電極分別置于透析袋內(nèi)部和外部的溶液中無意發(fā)現(xiàn)帶電雜質(zhì)能迅速地從凝膠中除去；1924年Pauli對Morse的試驗裝置進行了改進，以便解決極化、傳質(zhì)速率等問題；1940年Strauss和Meyer又進一步提出了多隔室電滲析裝置的概念。自此，電滲析技術得到了較好的發(fā)展，不僅體現(xiàn)在裝置設計上的改良，其核心部件離子交換膜也得到了很好的發(fā)展。20世紀50年代，美國科學家Juda成功試制了具有較高選擇透過性的陰、陽離子交換膜；緊接著，在1952年美國Ionics公司就設計制造了第一臺電滲析裝置。

電滲析技術率先在美國、英國和蘇聯(lián)等國家得到推廣，主要應用于海水淡化、飲用水制取等。發(fā)展至今，已經(jīng)被廣泛應用于物料脫鹽、廢水脫鹽、海水淡化預處理或濃鹽水處理等領域。現(xiàn)如今應用最為廣泛的是中東、日本、美國等地區(qū)，其中日本電滲析技術的發(fā)展可謂是后來居上，是目前世界上唯一一個使用電滲析技術大規(guī)模制鹽的國家。當前國外離子膜主流公司主要有日本Astom 公司、日本AGC公司、德國Fumatech 公司、日本富士膜Fujifilm、加拿大Saltworks、法國Suez公司和捷克Mega公司等。

圖1．電滲析及其相關過程國際發(fā)展時間表

1.2 電滲析在國內(nèi)的發(fā)展歷程

我國對電滲析的研究起步較晚，1958年北京和上海的科研單位將離子交換樹脂磨成粉再加壓制成異相離子交換膜；60年代初便有小型海水淡化裝量投入試運行；1965年在成昆鐵路上安裝了我國第一臺苦咸水淡化裝置；1969年聚乙烯異相離子交換膜在上海正式投入生產(chǎn)。從此，我國電滲析技術進入了大規(guī)模推廣應用的新時期。我國電滲析技術的發(fā)展大致可以分為三個階段，如圖2所示。

圖2．國內(nèi)電滲析發(fā)展階段

20世紀80年代到90年代末，電滲析技術受到反滲透、納濾、超濾等新技術的沖擊，只用作水處理項目中的預處理工作，導致了電滲析技術的發(fā)展緩慢。21世紀前十年，雙極膜技術的引進并得到了很好的發(fā)展應用，電滲析技術的突破與發(fā)展得到了顯著改進，同時降低了技術成本和管理難度，使其得到廣泛推廣；從2010年至今，隨著國家對環(huán)保的要求和企業(yè)環(huán)保意識的逐漸增強，電滲析以其濃縮無機鹽及物料脫鹽的高效、節(jié)能、三廢少、占地少等優(yōu)點，使得從事電滲析行業(yè)的人員迅速壯大，電滲析行業(yè)逐漸標準化、統(tǒng)一化。

到目前為止，雖然我國離子膜產(chǎn)量數(shù)量很大，但是仍以異相膜為主，主要用于初級電滲析水處理，也有少許用于化工和食品工業(yè)中的脫鹽、微咸水的淡化等。隨著國內(nèi)制膜技術的進步和應用技術不斷開發(fā)，均相膜和雙極膜電滲析的應用正在逐步擴大，電滲析將廣泛應用于能源、食品、醫(yī)藥、生物、冶金、化工、環(huán)保和飲用水等領域。

從不同公司的離子交換膜和電滲析設備來看，電滲析行業(yè)偏向于非標準化，很多東西沒有形成行業(yè)統(tǒng)一化發(fā)展，這在一定程度上阻礙了電滲析技術的發(fā)展。2019年8月1日，由中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會組織制訂，杭州藍然環(huán)境技術股份有限公司、杭州埃爾環(huán)保科技有限公司負責起草的團體標準T/CAEPI 19-2019《電滲析裝置技術要求》正式實施，該標準有利于規(guī)范行業(yè)發(fā)展，使中國電滲析行業(yè)趨向于標準化和統(tǒng)一化，為電滲析的快速發(fā)展提供有效支撐。

由于電滲析的應用場景的局限性，盡管隨著近些年不斷的應用推廣，但實際的應用量相比于壓力驅(qū)動膜仍然較小，所以目前國內(nèi)主營電滲析的廠家不多，知名電滲析廠家如下表1所示。

表1．國內(nèi)主要電滲析廠家概況

從各廠家已有的項目情況，國內(nèi)電滲析主要應用于高鹽廢水的鹽濃縮，石油煉化、化工等行業(yè)的中水回用，醫(yī)藥、食品、生物等行業(yè)的物料分離，以及化纖、農(nóng)藥化工等廢鹽的酸堿轉化。

電滲析初始的用途為海水淡化，隨著電滲析企業(yè)的不斷努力開拓，行業(yè)逐漸向化工、食品醫(yī)藥、新能源等其他行業(yè)進行延伸，比如杭州藍然環(huán)境、山東天維，在電滲析應用的推廣中，在不少行業(yè)實現(xiàn)了電滲析和擴散滲析的首次應用。

表2．國內(nèi)電滲析應用推廣情況

2 離子交換膜技術及產(chǎn)品

離子交換膜是一種電驅(qū)動膜，在國內(nèi)的應用不到20年的時間，由于其特殊的分離效果，和國內(nèi)的離子交換膜企業(yè)的不斷發(fā)展，逐步得到下游客戶的接受。離子交換膜作為分離膜的一種，其固定基團上帶有特定電荷使之具有了選擇透過性。這種特性使其在產(chǎn)物純化與回收、能量轉化、金屬電積、物質(zhì)重組等多個方面發(fā)揮著重要的作用。典型的應用有：氫氧燃料電池、鋰離子電池的隔膜，EDI工藝生產(chǎn)超純水用于電子、精細化工、核能產(chǎn)業(yè)，濕法冶金中電解用隔膜防治有害氣體的產(chǎn)生，電滲析去除污染水體中的氟離子、硝酸根離子，氯堿工業(yè)制備氫氧化鈉等。其節(jié)能、清潔、重復利用和實用環(huán)保的特點尤其符合現(xiàn)代工業(yè)的要求，為經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎，成為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

2.1 電滲析離子交換膜分類

電驅(qū)動膜分離過程的驅(qū)動力是直流電場，能夠在均相的水溶液或者水·有機混合溶液中實現(xiàn)物料的分離。通過利用特殊選擇性的離子選擇性通過膜，離子可以在電場作用下發(fā)生移動，并被離子選擇性透過膜選擇性的通過或阻隔，從而實現(xiàn)物料的分離。根據(jù)所采用的離子選擇性通過膜的種類以及操作模式的不同，電驅(qū)動膜分離過程可以分為普通電滲析(CED)、雙極膜電滲析(BMED)、電解電滲析(EED)、選擇性電滲析(SED)、電去離子(EDI)等，其中普通電滲析和雙極膜電滲析是電驅(qū)動過程常見的兩種膜分離工藝。

圖3．離子交換膜基本分類

2.2 電滲析與其他膜技術的對比分析

電滲析在廢水零排放與廢鹽資源化領域有著眾多成功案例，與高壓反滲透和正滲透相比，總投資較少，運行成本低，濃縮濃度比高壓反滲透更高，與正滲透相近，耐腐蝕性好，安全性高，技術和經(jīng)濟性好，更適合于無機鹽廢水濃縮。電滲析、高壓反滲透、正滲透性能對比如表3所示。

表3．電滲析、高壓反滲透和正滲透的綜合對比

與高壓反滲透和正滲透相比，電滲析技術更耐鈣、鎂、硅等污染，由于COD和硅等不會在濃水中累積，對于后續(xù)蒸發(fā)系統(tǒng)是一種很好的保護，確保結晶得到無機鹽的純度更高。一般普通異相膜的濃縮液氯化鈉濃度在13%以下，杭州藍然環(huán)境合金膜性能較為優(yōu)異，可將濃縮液氯化鈉濃度提升至15～18%，山東天維的均相離子交換膜濃縮氯化鈉濃度達到18%，ASTOM與AGC的均相膜離子交換膜濃縮液氯化鈉濃度可達20%以上。